C++ 使用 Crypto++ 庫實現常用的加密算法

Crypto++ 庫是開源的 C++ 數據加密算法庫，支持如下算法：RSA、MD5、DES、AES、SHA-256 等等，其中對於加密有對稱加密和非對稱加密。本實驗通過 Cryto++ 庫對字符串進行 MD5 校驗，並用 AES 加密和解密。

1.1 知識點

安裝 Crypto++ 庫並檢驗
學習 MD5 摘要算法
學習 AES 加密算法

1.2 效果截圖

二、加密算法介紹

據記載，公元前400年，古希臘人發明了置換密碼。1881年世界上的第一個電話保密專利出現。在第二次世界大戰期間，德國軍方啓用“恩尼格瑪”密碼機，密碼學在戰爭中起着非常重要的作用。隨着信息化和數字化社會的發展，人們對信息安全和保密的重要性認識不斷提高，於是在1997年，美國國家標準局公佈實施了“美國數據加密標準（DES）”，民間力量開始全面介入密碼學的研究和應用中，採用的加密算法有 DES、RSA、SHA 等。隨着對加密強度需求的不斷提高，近期又出現了 AES、ECC 等。使用密碼學可以達到以下目的：保密性：防止用戶的標識或數據被讀取。數據完整性：防止數據被更改。身份驗證：確保數據發自特定的一方。

2.1 加密的類型介紹

根據密鑰類型不同將現代密碼技術分爲兩類：對稱加密算法（祕密鑰匙加密）和非對稱加密算法（公開密鑰加密）。

對稱鑰匙加密系統是加密和解密均採用同一把祕密鑰匙，而且通信雙方都必須獲得這把鑰匙，並保持鑰匙的隱祕。非對稱密鑰加密系統採用的加密鑰匙（公鑰）和解密鑰匙（私鑰）是不同的。

對稱加密算法：

DES（Data Encryption Standard）：數據加密標準，速度較快，適用於加密大量數據的場合。
3DES（Triple DES）：是基於DES，對一塊數據用三個不同的密鑰進行三次加密，強度更高
AES（Advanced EncryptionStandard）：高級加密標準，是下一代的加密算法標準，速度快，安全級別高

非對稱算法：

RSA：由 RSA 公司發明，是一個支持變長密鑰的公共密鑰算法，需要加密的文件塊的長度也是可變的。
DSA（Digital Signature Algorithm）：數字簽名算法，是一種標準的 DSS（數字簽名標準）
ECC（Elliptic Curves Cryptography）：橢圓曲線密碼編碼學。

散列算法：

MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA數據安全公司開發的一種單向散列算法。
SHA（Secure Hash Algorithm）：可以對任意長度的數據運算生成一個160位的數值。

著名的密碼學算法庫還有 OpenSSL 。OpenSSL 爲網絡通信提供安全及數據完整性的一種安全協議，囊括了主要的密碼算法、常用的密鑰和證書封裝管理功能以及 SSL 協議，並提供了豐富的應用程序供測試或其它目的使用。通過比較 Crypto++ 和 Openssl，我們可以發現 Crypto++ 支持的算法比 Openssl 多。

三、安裝 Crypto++

安裝 Crypto++ 有兩種方法：

1 直接用 apt-get 安裝
2 在官方下載源碼安裝，或者在 github 上獲取源代碼。

3.1 用 ubuntu 的源安裝

sudo apt-get update
apt-cache pkgnames | grep -i crypto++

sudo apt-get install libcrypto++-dev libcrypto++-doc libcrypto++-utils libcrypto++9 libcrypto++9-dbg

3.2 測試

安裝完成之後編寫一個測試程序檢測是否安裝成功：

cd /home/shiyanlou/
vim test1.cpp

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

#include "cryptopp/integer.h"
using CryptoPP::Integer;

int main( int, char** ) {

  Integer i;

  cout << "i: " << i << endl;
  cout << "Yo, man!" << endl;

  return 0;
}

編寫完後退出 vim ，編譯程序

g++ -o test1 test1.cpp -lcryptopp # 這裏的lcryptopp 就是我們的 cryto++ 庫，在 fedora 上可能是 -lcrypto++
./test1

四、編寫實現 MD5 摘要算法

MD5 的全稱是 Message-Digest Algorithm 5，在90年代初由 MIT 的計算機科學實驗室和 RSA Data Security Inc 發明，由 MD2/MD3/MD4 發展而來的。MD5 的實際應用是對一段 Message (字節串)產生 fingerprint (指紋)，可以防止被“篡改”，因此通常用於密碼的加密存儲，數字簽名，文件完整性驗證等。在很多操作系統中，用戶的密碼是以 MD5 值（或類似的其它算法）的方式保存的，用戶 Login 的時候，系統是把用戶輸入的密碼計算成 MD5 值，然後再去和系統中保存的MD5值進行比較，來驗證該用戶的合法性。使用 crypto++ 庫生成 MD5 值很簡單，理解這個函數即可：

以下是我們用到函數的原型：

StringSource (const std::string &string,
              bool pumpAll,
              BufferedTransformation *attachment=NU

stringsource 是一個字符數組和字符串的源，源（Source）就是指數據的來源。

Crypto++ 提供以下常用的源：

File
Random Number
Socket
String
Windows Pipe

關於它的更多細節，請查閱官方手冊

打開終端輸入：

cd /home/shiyanlou
vim md5.cpp

4.1 核心代碼

int main()
{
  std::string digest, inData;
  std::cin >> inData;
  Weak1::MD5 md5;   //創建 md5 對象
  StringSource(inData, true, new HashFilter(md5, new HexEncoder(new StringSink(digest))));    //轉換的關鍵

  std::cout<< digest ;
}
#endif//_CRYPTO_UTIL_H_

這裏提供了完整的代碼：

wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/654/md5.cpp

4.2 編譯生成程序

g++ -o md5 md5.cpp -lcryptopp
./md5

五、編寫實現 AES 加密解密

AES 採用的是對稱加密，在密碼學中又稱 Rijndael 加密法，是美國聯邦政府採用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的 DES ，已經被多方分析且廣爲全世界所使用。 AES 設計有三個密鑰長度:128,192,256 比特, 相對而言, AES 的128比特密鑰比 DES 的56比特密鑰強10^21倍。 AES有五種加密模式:

電碼本模式（ECB模式）：這種模式是將整個明文分成若干段相同的小段，然後對每一小段進行加密。
密碼分組鏈接模式（CBC模式）：這種模式是先將明文切分成若干小段，然後每一小段與初始塊或者上一段的密文段進行異或運算後，再與密鑰進行加密。
計算器模式（CTR模式）：計算器模式不常見，在CTR模式中，有一個自增的算子，這個算子用密鑰加密之後的輸出和明文異或的結果得到密文，相當於一次一密。
密碼反饋模式（CFB模式）：與ECB和CBC模式只能夠加密塊數據不同，CFB能夠將塊密文（Block Cipher）轉換爲流密文（Stream Cipher）。
輸出反饋模式（OFB模式）：OFB是先用塊加密器生成密鑰流（Keystream），然後再將密鑰流與明文流異或得到密文流，解密是先用塊加密器生成密鑰流，再將密鑰流與密文流異或得到明文，由於異或操作的對稱性所以加密和解密的流程是完全一樣的。

本實驗採用 CBC 模式。在設計類 CCryptoUtil 中，分爲兩個模塊， encrypt4aes 加密， decrypt4aes 解密。

5.1 設計加密的模塊

在 /home/shiyanlou/ 目錄下新建 aes.cpp 文件並添加如下代碼：

static int encrypt4aes(const std::string &inData, const std::string &strKey,
        std::string &outData, std::string &errMsg)
{
    outData = "";
    errMsg = "";

    if (inData.empty() || strKey.empty()) // 判斷待加密的字符串或者密鑰是否爲空
    {
        errMsg = "indata or key is empty!!";
        return -1;
    }

    unsigned int iKeyLen = strKey.length();

    if (iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_16 && iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_24  //判斷密鑰的長度是否符合要求
            && iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_32)
    {
        errMsg = "aes key invalid!!";
        return -2;
    }

    byte iv[AES::BLOCKSIZE];
    int iResult = 0;

    try
    {
        CBC_Mode<AES>::Encryption e;  //CBC 模式加密
        e.SetKeyWithIV((byte*) strKey.c_str(), iKeyLen, iv);
        StringSource ss(inData, true, new StreamTransformationFilter(e, new StringSink(outData)));    //加密的關鍵， outData 就是加密後的數據
    } catch (const CryptoPP::Exception& e)
    {
        errMsg = "Encryptor throw exception!!";
        iResult = -3;
    }

    return iResult;
}

5.2 設計解密的模塊

在 /home/shiyanlou/aes.cpp 文件下添加如下代碼：

static int decrypt4aes(const std::string &inData, const std::string &strKey,
        std::string &outData, std::string &errMsg)
{
    outData = "";
    errMsg = "";

    if (inData.empty() || strKey.empty()) // 判斷待加密的字符串或者密鑰是否爲空
    {
        errMsg = "indata or key is empty!!";
        return -1;
    }

    unsigned int iKeyLen = strKey.length();

    if (iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_16 && iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_24  //判斷密鑰的長度是否符合要求
            && iKeyLen != AES_KEY_LENGTH_32)
    {
        errMsg = "aes key invalid!!";
        return -2;
    }

    byte iv[AES::BLOCKSIZE];
    int iResult = 0;

    try
    {
        CBC_Mode<AES>::Decryption d;    //CBC 模式解密
        d.SetKeyWithIV((byte*) strKey.c_str(), iKeyLen, iv);
        StringSource ss(inData, true,
                new StreamTransformationFilter(d, new StringSink(outData)));  //解密的函數，outData 是解密的結果
    }
    catch (const CryptoPP::Exception& e)
    {
        errMsg = "Encryptor throw exception";
        iResult = -3;
    }

    return iResult;
}

5.3 main 函數

在 /home/shiyanlou/aes.cpp 文件下添加如下代碼：

int main(int argc, char **argv)
{
    std::string strCipher;     //待加密的字符串
    std::string strKey；       //用來加解密的密鑰
    std::cout << "Please enter a string" << std::endl;
    std::cin >> strCipher;
    std::cout << "please enter a key, you just can write 16,24 or 32 words as a key" << std::endl;
    std::cin << strKey;

    std::string strResult;
    std::string strErrMsg;
    int iResult = CCryptoUtil::encrypt4aes(strCipher, strKey, strResult, strErrMsg);
    std::cout << "the result is :" << strResult << std::endl;

    if(iResult)   
    {
        std::cout<<"CCryptoUtil::encrypt4aes failed,errMsg:"<<strErrMsg;
        return -1;
    }

    std::string strPlainText;
    iResult = CCryptoUtil::decrypt4aes(strResult,strKey,strPlainText,strErrMsg);
    if(iResult)
    {
        std::cout<<"CCryptoUtil::decrypt4aes failed,errMsg:"<<strErrMsg;
        return -2;
    }

    std::cout << "PlainText:"<<strPlainText << std::endl;
}

這裏也提供了完整的代碼，可以直接編譯：

wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/654/aes.cpp

六、總結

這一節實驗我們學習安裝了 crypto++ 庫，從中學習到 crypto 庫的基本用法，瞭解了 MD5 和 AES 的基本知識，並實現了對它們的應用。但是在實現 AES 加解密的時候沒用將加密後的字符串打印出來，因爲直接輸出到屏幕上它是亂碼的，那應該怎麼辦呢？請同學們思考思考。

C++ 使用 Crypto++ 庫實現常用的加密算法

C++ 使用 Crypto++ 庫實現常用的加密算法

二、加密算法介紹

2.1 加密的類型介紹

三、安裝 Crypto++

3.1 用 ubuntu 的源安裝

3.2 測試

四、編寫實現 MD5 摘要算法

五、編寫實現 AES 加密解密

5.1 設計加密的模塊

5.2 設計解密的模塊

5.3 main 函數

六、總結

七、參考資料

C++ 使用 Crypto++ 庫實現常用的加密算法

C++ 實現太陽系行星系統（OpenGL）

那些沒出現在近幾年頂會NeurIPS 2019 與 ICLR 2020上的重要論文

Python3 實現可控制肉雞的反向Shell

代數數論-馮克勤

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